Капли со шлейфом

Капля несколько раз «вторгалась» в творческую жизнь Георгия Глебовича Леммлейна. В первый раз в виде ро­синок, осевших на кристаллической поверхности, затем в виде капель раствора, движущихся и преобразующихся в объеме кристалла,— об этом рассказ впереди, а в 1957 году он изучил движущиеся по поверхности кри­сталла капли, за которыми стелется шлейф.

Незадолго перед войной польский физик Коварский обратил внимание на неожиданное и любопытное явление. Если кристалл растет вследствие притока вещества из па­ровой фазы и если он нагрет почти до температуры плавле­ния, то на его поверхности появляются жидкие капли. Они мечутся по поверхности кристалла, подобно тому как мечется капля воды на горячей сковородке, и, как капля воды, они вскоре исчезают, но исчезают не так, как вод­ная капля. Коварский впервые заметил это явление, а Леммлейн с сотрудниками его подробно изучили. Изу­чили и иное, родственное явление — образование капель жидкости на поверхности не растущего, а испаряюще­гося кристалла.

Мысленно поставим опыт, некогда выполненный Леммлейном, и проследим за происходящим. Расположим под стеклянным колпаком кристалл, за которым будем вести наблюдение. Кристалл должен лежать на обогревае­мой пластинке, и его температура должна быть на 1—3° С ниже температуры плавления.

Для определенности предположим, что эксперименти­руем мы с кристаллом сложного органического вещества— паратолуидином, поскольку именно с таким кристаллом экспериментировали в лаборатории Леммлейна. Пла­вится он при температуое 44° С. В стороне от кристалла  под колпаком расположим маленькую печку с тигель­ком, в котором плавится и испаряется паратолуидин. Вскоре пространство под кол­паком заполнится парами паратолуидина, которые долж­ны будут оседать на поверх­ности подогретого, но нерасплавленного кристаллика. Он при этом будет подрастать, увеличиваться в объеме. Стеклянный колпачок надо сконструировать так, чтобы сквозь него было удобно с помощью микроскопа наблюдать за поверхностью расту­щего кристалла.

Движение капли, оставляющей за со­бой шлейф в процессе кристаллизации

Посмотрев в микроскоп, мы увидим, что на поверхности кристалла имеется множество капель разных размеров — от 1 до 20, а иногда и до 30 микрон. Далее мы увидим, что какая-либо из капель, блуж­дая по поверхности, коснет­ся торца одной из ступенек, которых на поверхности кри­сталла множество. А после этого произойдет неожидан­ное: капля, пытаясь уйти от торца ступени, будет остав­лять за собой шлейф, высота которого вровень со сту­пенью. Шлейф окажется ча­стью ступени, ее продолже­нием. Движущаяся капля будет себя расходовать на образование шлейфа и в конце концов исчезнет.

Однако она исчезнет поз­же, чем ей надлежало бы ис­чезнуть, если полагать, что капля перестанет существо­вать в точности тогда, когда объем вещества в созданном ею шлейфе станет равным ее начальному объему. Любо­пытная деталь: шлейф, остаю­щийся за каплей, увеличи­вает свою площадь не толь­ко в направлении смещения капли, но и в перпендикуляр­ном направлении, и поэтому у своих истоков он оказы­вается значительно шире, чем начальный диаметр капли (истинному шлейфу так и по­ложено к концу расширять­ся).

Движение капель, в процессе испаре­ния оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы

Мы увидим еще много и иных подробностей: некото­рые капли, пристав к ступе­ни, будут двигаться по спи­рали, оставляя за собой фа­сонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой сту­пенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.

Видоизменим опыт, обра­тив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком до­статочно низким, чтобы кри­сталлик, за которым мы наб­людаем, смог испаряться. До­стичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выклю­чить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по по­верхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет про­исходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, обра­зуя слои, а при испарении — слизывая их.

Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопро­сов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, ос­таваясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.

Жидкая фаза — а капли жидкие! — является проме­жуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразно­го состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кри­сталла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кри­сталла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкно­вений огромного количества блуждающих по ней одиноч­ных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.

Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кри­сталла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавле­ния; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверх­ность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы  настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исклю­чены.

Почему же капли не «примерзают» к поверхности кри­сталла? Это, действительно, странно — ведь жидкость великолепно смачивает собственную твердую фазу. Пом­ните рассказы о капле ментола, осушенной ментоловой иглой, и о первой капле талой воды, рожденной снегом? Капле на поверхности горячего кристалла полагалось бы растечься, а не оставаться сферической! Видимо, между жидкой каплей и поверхностью кристалла имеется тончай­шая газовая прослойка, и капля существует на ней, буду­чи как бы подвешенной в воздухе.

И еще: появлению жидкой капли на поверхности испаряющегося или кристаллизующегося из газовой фазы кри­сталла паратолуидина могут способствовать пары воды в атмосфере, окружающей кристалл. С водой паратолуидин образует сплав, который становится жидким при температуре ниже 44 °С. Паратолуидиновой капле, со­держащей немного воды, проще быть жидкой при темпе­ратуре ниже 44° С, чем капле чистого паратолуидина.

На второй вопрос ответ получился некатегорическим, но вполне правдоподобным.

Теперь о расширении шлейфов. Вот здесь полная яс­ность. Расширяются они потому, что шлейф создается не только движущейся каплей, но и одиночными атомами, которые при росте кристалла оседают на боковых торцах положительного, а при испарении кристалла отрываются от боковых торцов отрицательного шлейфа. Чем дальше участок бокового торца шлейфа от движущейся капли, тем больше времени с ним взаимодействуют одиночные атомы и тем шире он.